DE102007012495B4 - METHOD FOR PRODUCING A DIFFUSION MEDIUM - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Herstellen eines Diffusionsmediums (34, 36, 38, 40), umfassend, dass:
eine wässrige Dispersion, die ein Pulverharz, ein Bindermaterial und ein Fasermaterial umfasst, das Kohlefasern, Graphitfasern und Kombinationen daraus umfasst, hergestellt wird (110),
eine Schicht der Dispersion auf einem Träger ausgebildet wird (120),
Wasser von der Schicht entfernt wird, um eine Faserschicht zu bilden,
die Faserschicht geformt wird, und
die geformte Schicht karbonisiert oder graphitisiert wird (140), wobei das Bindermaterial vollständig weggebrannt wird.
A method of making a diffusion medium (34, 36, 38, 40) comprising:
an aqueous dispersion comprising a powder resin, a binder material and a fiber material comprising carbon fibers, graphite fibers and combinations thereof is produced (110),
a layer of the dispersion is formed on a carrier (120),
Removing water from the layer to form a fibrous layer
the fiber layer is formed, and
the formed layer is carbonized or graphitized (140), completely burning away the binder material.
Description
GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION
Die Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Brennstoffzellendiffusionsmedien.The disclosure relates to a method for manufacturing fuel cell diffusion media.
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
Brennstoffzellen sind als eine Energiequelle für Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen verwendbar. Eine beispielhafte Brennstoffzelle besitzt eine Membranelektrodenanordnung (MEA) mit katalytischen Elektroden und einer Protonenaustauschmembran (PEM), die zwischen den Elektroden ausgebildet ist. Wasser wird an der Kathodenelektrode auf Grundlage der elektrochemischen Reaktionen zwischen Wasserstoff und Sauerstoff, die in der MEA stattfinden, erzeugt. Die Gasdiffusionsmedien spielen eine wichtige Rolle in PEM-Brennstoffzellen. Allgemein zwischen katalytischen Elektroden und Reaktandengase in die Brennstoffzelle einführenden Strömungsfeldkanälen angeordnet sehen die Gasdiffusionsmedien Pfade für Reaktand zur Diffusion an die Elektrode und Pfade zur Entfernung des Produktwassers, eine elektronische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit wie auch eine mechanische Festigkeit vor, die für eine richtige Funktion der Brennstoffzelle erforderlich ist.Fuel cells can be used as an energy source for electric vehicles and other applications. An exemplary fuel cell has a membrane electrode assembly (MEA) with catalytic electrodes and a proton exchange membrane (PEM) formed between the electrodes. Water is generated at the cathode electrode based on the electrochemical reactions between hydrogen and oxygen that take place in the MEA. The gas diffusion media play an important role in PEM fuel cells. Generally arranged between flow field channels introducing catalytic electrodes and reactant gases into the fuel cell, the gas diffusion media provide paths for reactant for diffusion to the electrode and paths for removing the product water, electronic conductivity and thermal conductivity as well as mechanical strength, which is necessary for the correct functioning of the fuel cell is.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird Wasser an der Kathode auf Grundlage von elektrochemischen Reaktionen erzeugt, die Wasserstoff und Sauerstoff betreffen und in der MEA stattfinden. Ein effizienter Betrieb einer Brennstoffzelle hängt von der Fähigkeit ab, ein effektives Wassermanagement in dem System vorzusehen. Beispielsweise verhindern die Diffusionsmedien, dass die Elektroden geflutet werden (d.h. mit Wasser gefüllt werden und einen O2-Zutritt ernstlich begrenzen), indem Produktwasser weg von der Katalysatorschicht entfernt wird, während eine Reaktandengasströmung von den Gasströmungskanälen der Bipolarplatte hindurch zu der Katalysatorschicht beibehalten wird.During operation of the fuel cell, water is generated at the cathode on the basis of electrochemical reactions that affect hydrogen and oxygen and that take place in the MEA. Efficient operation of a fuel cell depends on the ability to provide effective water management in the system. For example, the diffusion media prevent the electrodes from being flooded (ie, filled with water and severely limiting O 2 entry) by removing product water away from the catalyst layer while maintaining reactant gas flow from the gas flow channels of the bipolar plate to the catalyst layer.
Brennstoffzellenstapel können eine große Anzahl von Brennstoffzellen abhängig von der Leistungsanforderung der Anwendung enthalten. Beispielsweise besitzen typische Brennstoffzellenstapel bis zu 400 einzelne Brennstoffzellen und mehr. Da die Brennstoffzellen in den Stapeln in Reihe arbeiten, kann eine Schwäche oder schlechte Leistungsfähigkeit in einer Zelle sich in eine schlechte Leistungsfähigkeit des gesamten Stapels übertragen. Aus diesem Grund ist es erwünscht, dass jede Brennstoffzelle in dem Stapel mit hohem Wirkungsgrad arbeitet.Fuel cell stacks can contain a large number of fuel cells depending on the performance requirement of the application. For example, typical fuel cell stacks have up to 400 individual fuel cells and more. Because the fuel cells in the stacks work in series, weakness or poor performance in one cell can translate into poor performance in the entire stack. For this reason, it is desirable that each fuel cell in the stack operate with high efficiency.
Typische Herstellschritte für Gasdiffusionsmedien umfassen, dass ein Kohlefaserpapier hergestellt wird, das Papier mit Harz oder einer Mischung aus Harz und Füllstoffen imprägniert wird, das imprägnierte Papier geformt wird und das harzimprägnierte Kohlefaserpapier karbonisiert oder graphitisiert wird. Die Schritte zur Herstellung von Papier und zur Imprägnierung sind kontinuierlich, während die Form-, Karbonisierungs- und Graphitisierungsschritte entweder chargenartig oder kontinuierlich sein können.Typical manufacturing steps for gas diffusion media include that a carbon fiber paper is made, the paper is impregnated with resin or a mixture of resin and fillers, the impregnated paper is molded and the resin impregnated carbon fiber paper is carbonized or graphitized. The paper making and impregnation steps are continuous, while the molding, carbonization, and graphitization steps can be either batch or continuous.
Beispielsweise beschreibt die
Ferner beschreibt die
Ausgehend von der
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Diese Aufgabe wird durch die ein Verfahren gemäß Anspruch 1 zum Herstellen eines Diffusionsmediums gelöst.This object is achieved by a method according to claim 1 for producing a diffusion medium.
Die Erfindung sieht einen Prozess zum Herstellen eines Gasdiffusionsmediums vor, bei dem (a) eine wässrige Dispersion, die ein Fasermaterial, ein Harzpulver und ein Bindermaterial umfasst, hergestellt wird, (b) die Faser- und Harzpulverdispersion in einer Schicht oder Matte auf einem Träger ausgebildet wird, (c) Wasser von der Schicht entfernt wird, um eine Faserschicht zu bilden, die das Harzpulver enthält, (d) die harzpulverhaltige Faserschicht geformt wird und dann (e) die geformte Schicht karbonisiert oder graphitisiert wird, wobei das Bindermaterial vollständig weggebrannt wird. Dieses Verfahren vermeidet einen Schritt zum Imprägnieren der Fasermatte mit einem Harz.The invention provides a process for producing a gas diffusion medium in which (a) an aqueous dispersion comprising a fiber material, a resin powder and a binder material is produced, (b) the fiber and resin powder dispersion in a layer or mat on a support is formed, (c) water is removed from the layer to form a fibrous layer containing the resin powder, (d) the resin powder-containing fibrous layer is molded, and then (e) the molded layer is carbonized or graphitized, completely burning off the binder material becomes. This method avoids a step of impregnating the fiber mat with a resin.
Bei einer Ausführungsform ist der Träger ein Sieb mit einer gewünschten Maschenweite. Faserstränge und Harzpulverpartikel mit einer Größe, die größer als die Löcher der Maschen sind, werden zurückgehalten, um die Faserschicht herzustellen, und es können auch kleinere Partikel in der Fasermatte zurückgehalten werden. Bei verschiedenen Ausführungsformen besitzt das Sieb eine Maschengröße, die kleiner als die durchschnittliche Partikelgröße des Harzpulvers ist. Bei einer bestimmten Ausführungsform wird ein Harzpulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße zwischen etwa 40 Mikrometer bis etwa 100 Mikrometer verwendet.In one embodiment, the carrier is a sieve with a desired mesh size. Fiber strands and resin powder particles that are larger than the holes in the mesh are retained to make the fiber layer, and smaller particles can also be retained in the fiber mat. In various embodiments, the sieve has a mesh size, which is smaller than the average particle size of the resin powder. In a particular embodiment, a resin powder with an average particle size between about 40 microns to about 100 microns is used.
Bei einer Ausführungsform des Prozesses ist das Harzpulver ein Phenolharz oder weist ein Phenolharz auf.In one embodiment of the process, the resin powder is a phenolic resin or comprises a phenolic resin.
Bei bestimmten Ausführungsformen besitzt das Harzpulver eine durchschnittliche Partikelgröße zwischen etwa 40 Mikrometer und etwa 100 Mikrometer.In certain embodiments, the resin powder has an average particle size between about 40 microns and about 100 microns.
Die Erfindung sieht ferner ein Diffusionsmedium vor, das gemäß dem Verfahren der Erfindung hergestellt ist. Das Diffusionsmedium besitzt eine erhöhte Gaspermeabilität im Vergleich zu einem Diffusionsmedium, das denselben Harzgehalt aufweist, jedoch durch Verfahren nach dem Stand der Technik hergestellt wurde. Ohne sich an eine Theorie binden zu wollen, wird angenommen, dass dies so ist, da die Kohle- oder Graphitfasern durch die gut verteilten Harzpartikel, die bei der Kohlepapierherstellung vorhanden sind, miteinander punktverschweißt werden, im Vergleich zu einem Lösungsimprägnierungsverfahren, das sich darauf verlässt, dass Harz beim Härten fließt, um die einzelnen Fasern zusammen zu halten. Der herkömmliche Imprägnierungsschritt resultiert in einer dünnen harzreichen Oberflächenschicht nach der Harzimprägnierung und dem Härten, von der angenommen wird, dass sie in eine amorphe Kohlenstoffoberflächenschicht an der einzelnen Faser nach einer Karbonisierung/ Graphitisierung umgewandelt wird, die die freie Oberflächenenergie und die Haltbarkeit des Gasdiffusionsmediums beeinträchtigen kann. Diese Oberflächenschicht auf den Kohlefasern wird durch die vorliegende Erfindung vermieden.The invention further provides a diffusion medium made in accordance with the method of the invention. The diffusion medium has an increased gas permeability compared to a diffusion medium which has the same resin content, but was produced by methods according to the prior art. Without wishing to be bound by theory, it is believed that this is because the carbon or graphite fibers are spot welded together by the well-distributed resin particles that are present in carbon paper making compared to a solution impregnation process that relies on them that resin flows as it cures to hold the individual fibers together. The conventional impregnation step results in a thin resin-rich surface layer after resin impregnation and curing, which is believed to be converted to an amorphous carbon surface layer on the single fiber after carbonization / graphitization, which can affect the surface free energy and the gas diffusion media durability . This surface layer on the carbon fibers is avoided by the present invention.
Die Erfindung sieht auch eine Brennstoffzelle vor, die eine Membranelektrodenanordnung (MEA), die eine Anode, eine Kathode und eine Protonenaustauschmembran (PEM) umfasst, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist; ein impermeables elektrisch leitendes Element an zumindest einer der Kathoden- und der Anodenseiten der MEA, das zusammen mit der jeweiligen Kathode und/oder Anode eine Fluidverteilungskammer jeweils zwischen dem impermeablen elektrisch leitenden Element und der Kathode und/oder Anode definiert; und ein Diffusionsmedium gemäß der Erfindung umfasst, das in einer oder beiden der Fluidverteilungskammern angeordnet ist. Das Diffusionsmedium überspannt bevorzugt die Fluidverteilungskammer von der Seite des impermeablen elektrisch leitenden Elements zu der Elektrodenseite.The invention also provides a fuel cell that includes a membrane electrode assembly (MEA) that includes an anode, a cathode, and a proton exchange membrane (PEM) that is disposed between the anode and the cathode; an impermeable electrically conductive element on at least one of the cathode and anode sides of the MEA, which together with the respective cathode and / or anode defines a fluid distribution chamber between the impermeable electrically conductive element and the cathode and / or anode; and comprises a diffusion medium according to the invention arranged in one or both of the fluid distribution chambers. The diffusion medium preferably spans the fluid distribution chamber from the side of the impermeable, electrically conductive element to the electrode side.
Die neuen Kohlefaserpapierherstellschritte des Prozesses reduzieren die Kosten der Herstellung des Kohlefaserpapier-Gasdiffusionsmediums und folglich die Kosten der Brennstoffzelle, die unter Verwendung des Gasdiffusionsmediums der Erfindung hergestellt ist. Zusätzlich weist das Diffusionsmedium, das durch den Prozess der Erfindung hergestellt ist, eine offenere Porenstruktur und verbesserte Brennstoffzellenleistungsfähigkeit auf.The new carbon fiber paper manufacturing steps of the process reduce the cost of manufacturing the carbon fiber gas diffusion media and, consequently, the cost of the fuel cell made using the gas diffusion media of the invention. In addition, the diffusion medium made by the process of the invention has a more open pore structure and improved fuel cell performance.
In der Beschreibung der Erfindung weist „Harz“ sowohl oligomere als auch polymere Materialien auf, die für die bestimmte Anwendung geeignet sind. „Pulver“ betreffen zerriebenes, gemahlenes oder granuliertes Material. „Etwa“ besitzt seine übliche Bedeutung von „nahezu“ oder dass eine gewisse geringfügige Ungenauigkeit im Wert (etwa oder vernünftig nahe an dem Wert) vorhanden sein kann. Numerische Bereiche sind dahingehend zu verstehen, dass sie die Endpunktwerte und jeden Wert in dem Bereich wie auch alle enthaltenen Bereiche offenbaren, die dadurch gebildet werden, dass beliebige zwei offenbarte Werte als Endpunkte genommen werden. Unter den Begriffen „Pulverharz“ und „Harzpulver“ sind Harze zu verstehen, die in Pulverform vorliegen.In the description of the invention, "resin" includes both oligomeric and polymeric materials that are suitable for the particular application. “Powder” refers to ground, ground or granulated material. "About" has its usual meaning of "almost" or that there may be some slight inaccuracy in the value (roughly or reasonably close to the value). Numerical ranges are to be understood to disclose the endpoint values and each value in the range as well as all included ranges, which are formed by taking any two disclosed values as endpoints. The terms "powder resin" and "resin powder" are understood to mean resins that are in powder form.
FigurenlisteFigure list
-
1 ist ein Flussdiagramm eines Prozesses der Erfindung;1 Figure 3 is a flow diagram of a process of the invention; -
2a und2b sind Reproduktionen von REM-Bildern von Kohlefaserpapier, das durch ein herkömmliches Lösungsharzimprägnierungsverfahren (2a) und durch den Pulverharzdotierprozess der Erfindung (2b) hergestellt ist;2a and2 B are reproductions of SEM images of carbon fiber paper that are made using a conventional solution resin impregnation process (2a) and by the powder resin doping process of the invention (2 B) is manufactured; -
3 ist ein schematisches Schaubild eines Brennstoffzellenstapels, der Gasdiffusionsmedien enthält; und3rd FIG. 4 is a schematic diagram of a fuel cell stack containing gas diffusion media; and -
4 zeigt vergleichende Strom-Spannungs-Kurven behandelter Diffusionsmedien.4th shows comparative current-voltage curves of treated diffusion media.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION
Ein Gasdiffusionsmedium wird mit Fasern und einem Pulverharz hergestellt. Das Pulverharz ist nicht solvatisiert, wenn es in den Gasdiffusionsmediumvorläufer integriert wird. Das Pulverharz wird in seiner Pulverform integriert und kann geschmolzen werden und kann vor dem Karbonisieren oder Graphitisieren zumindest teilweise gehärtet werden, um das Gasdiffusionsmedium aus dem Gasdiffusionsmediumvorläufer herzustellen.A gas diffusion medium is made with fibers and a powder resin. The powder resin is not solvated when integrated into the gas diffusion media precursor. The powder resin is integrated in its powder form and can be melted and at least partially cured prior to carbonization or graphitization to produce the gas diffusion medium from the gas diffusion medium precursor.
Geeignete Beispiele von Kohle- oder Graphitfasern umfassen beispielsweise karbonisierte oder graphitisierte Fasern aus Polyacrylnitril, Copolymere aus Acrylnitril (insbesondere diejenigen, die zumindest 90 Gew.-% des Acrylnitril-Monomers enthalten), Zellulose, Rayon, Pech und Phenole.Suitable examples of carbon or graphite fibers include, for example, carbonized or graphitized fibers made of polyacrylonitrile, copolymers made of acrylonitrile (in particular those which contain at least 90% by weight of the acrylonitrile monomer), cellulose, rayon, pitch and phenols.
Polyacrylnitril-(PAN-)Fasern werden gewöhnlich aus dem PAN-Polymer unter Verwendung eines Lösemittelspinnprozesses hergestellt. Filamente mit einem Durchmesser von 12 bis 14 Mikrometer werden typischerweise dazu verwendet, die Kohle- oder Graphitfasern für Brennstoffzellendiffusionsmedien herzustellen. Die PAN-Faser kann in Luft bei etwa 230°C stabilisiert werden, dann karbonisiert und in gewünschte Längen zerhackt werden. Die Karbonisierung kann bei etwa 1200 bis 1350°C in Stickstoff ausgeführt werden, um eine Kohlefaser mit zumindest 95 Gew.-% Kohlenstoffgehalt zu erzielen. Die karbonisierten Kabel können in Längen von etwa 3 bis etwa 12 mm zerhackt werden.Polyacrylonitrile (PAN) fibers are commonly made from the PAN polymer using a solvent spinning process. 12 to 14 micron diameter filaments are typically used to make the carbon or graphite fibers for fuel cell diffusion media. The PAN fiber can be stabilized in air at about 230 ° C, then carbonized and chopped to desired lengths. The carbonization can be carried out at about 1200 to 1350 ° C. in nitrogen in order to achieve a carbon fiber with at least 95% by weight of carbon. The carbonized cables can be chopped in lengths from about 3 to about 12 mm.
Bei einem Verfahren wird die zerhackte Kohle- und/oder Graphitfaser dann mit Wasser, dem Pulverharz und einem Bindermaterial gemischt, um eine wässrige Dispersion zu bilden. Ein Bindermaterial wird bevorzugt verwendet, um dem Kohlefaserpapier eine bauliche Integrität zu verleihen, das aus der Dispersion hergestellt wird, so dass das Papier ohne Schaden weiterverarbeitet werden kann. Geeignete Beispiele von Bindermaterialien umfassen beispielsweise Polyvinylalkohol (PVA), Polyvinylpyrrolidon (PVP) und andere derartige wasserdispergierbare Polymere.In one method, the chopped carbon and / or graphite fiber is then mixed with water, the powder resin and a binder material to form an aqueous dispersion. A binder material is preferably used to give the carbon fiber paper structural integrity that is made from the dispersion so that the paper can be processed without damage. Suitable examples of binder materials include, for example, polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl pyrrolidone (PVP) and other such water-dispersible polymers.
Das Pulverharz kann ein kohlenstoffhaltiges Harz oder Pulver sein. Geeignete Beispiele umfassen beispielsweise Phenolharze, Aminoharze wie Melaminharze und Harnstoffharze, Epoxidharze, Furanharze, Acrylpolymere, Phenoxyharze, epoxidmodifizierte Polyimidharze, ungesättigte Polyesterharze, Polyimidharze, Polyurethane, Diallylphthalatharze, Maleimidharze, Fluorkohlenwasserstoffpolymere, wie Teflon, Cyanatharze und Kombinationen dieser und/oder andere Polymere oder Harze. Bei bestimmten Ausführungsformen ist das Pulverharz wärmeaushärtbar, entweder selbst vernetzend, mit einem Vernetzer formuliert oder oxidativ härtend. Bei einer bestimmten Ausführungsform umfasst das Pulverharz ein Phenolharz. Phenolharze sind aufgrund ihrer hohen Kohlenstoffausbeute (50 % des Ausgangsgewichtes) und aufgrund geringer Kosten bevorzugt, obwohl andere Harze möglich sind. Das gewählte Harz sollte bei der Temperatur, bei der die Dispersion gebildet wird, ein Feststoff sein, in Wasser nicht löslich sein und in pulverisierter Form verwendet werden. Bei bestimmten Ausführungsformen ist es erwünscht, ein Pulverharz mit einer durchschnittlichen Partikelgröße zwischen etwa 40 Mikrometer und etwa 100 Mikrometer zu verwenden. Wenn die Dispersion in eine Schicht auf einem Maschensieb geformt wird, gelangen Wasser und einige Pulverharzpartikel, die eine kleinere Größe als die Maschenweite des Siebes aufweisen, durch den Sieb hindurch. Fasern und Harzpulverpartikel mit einer Größe, die größer als die der Maschenlöcher ist, werden zurückgehalten, um die Faserschicht zu bilden. Partikel, die kleiner als die Siebmaschen sind, können ebenfalls in der Faserschicht abgefangen werden. Das Sieb besitzt eine Maschengröße, die kleiner als die durchschnittliche Partikelgröße des Harzpulvers ist. Beispielsweise kann ein Sieb mit 300 Maschen zu 100 Maschen gewählt werden.The powder resin may be a carbonaceous resin or powder. Suitable examples include, for example, phenolic resins, amino resins such as melamine resins and urea resins, epoxy resins, furan resins, acrylic polymers, phenoxy resins, epoxy-modified polyimide resins, unsaturated polyester resins, polyimide resins, polyurethanes, diallyl phthalate resins, maleimide resins, fluorocarbon resins and polymers or cyanate and other resins, such as teflon or other polymers, such as teflon or other polymers, such as teflon or other polymers, such as teflon or other polymers, such as teflon or other polymers, such as teflon or other resins, such as teflon . In certain embodiments, the powder resin is thermoset, either self-crosslinking, formulated with a crosslinker, or oxidatively curing. In a particular embodiment, the powder resin comprises a phenolic resin. Phenolic resins are preferred because of their high carbon yield (50% of starting weight) and because of their low cost, although other resins are possible. The resin chosen should be a solid at the temperature at which the dispersion is formed, insoluble in water, and used in powdered form. In certain embodiments, it is desirable to use a powder resin with an average particle size between about 40 microns and about 100 microns. When the dispersion is formed into a layer on a mesh screen, water and some powder resin particles smaller in size than the mesh size of the screen pass through the screen. Fibers and resin powder particles with a size larger than that of the mesh holes are retained to form the fiber layer. Particles smaller than the sieve mesh can also be trapped in the fiber layer. The sieve has a mesh size that is smaller than the average particle size of the resin powder. For example, a 300 mesh to 100 mesh screen can be selected.
Die Dispersion kann etwa 40 bis 80 Gewichtsprozent Harzpulver und bevorzugt etwa 60 bis etwa 75 Gewichtsprozent Harzpulver auf Grundlage der kombinierten Gewichte des Harzpulvers und der Kohlefaser und/oder Graphitfaser enthalten.The dispersion may contain about 40 to 80 weight percent resin powder, and preferably about 60 to about 75 weight percent resin powder based on the combined weights of the resin powder and the carbon fiber and / or graphite fiber.
Wenn die Dispersion ein Bindermaterial enthält, kann die Dispersion in eine Schicht oder Matte oder ein Papier unter Verwendung von Papierherstelltechniken geformt werden. Die Dispersion kann in ein Kohlefaserpapier, das mit dem Pulverharz gefüllt ist, unter Verwendung eines Nassverfahrens und herkömmlicher Papierherstellausstattung geformt werden. Bei einem derartigen Prozess wird die Dispersion in einen „Stoffauflauf“ zugeführt, der die Dispersion in eine rotierende, poröse Trommel oder Drahtsieb mit einem Vakuumtrockner tropft, um das Wasser zu entfernen. Die Bahn, die geformt wird, wird von der Trommel oder dem Sieb abgezogen und gewöhnlich in einem Ofen oder auf heißen Rotationstrommeln mit großem Durchmesser vollständig getrocknet.If the dispersion contains a binder material, the dispersion can be formed into a layer or mat or paper using paper making techniques. The dispersion can be formed into carbon fiber paper filled with the powder resin using a wet process and conventional papermaking equipment. In such a process, the dispersion is fed into a "headbox" that drips the dispersion into a rotating, porous drum or wire screen with a vacuum dryer to remove the water. The web that is formed is drawn off the drum or wire and is usually completely dried in an oven or on hot large diameter rotary drums.
Bei herkömmlichen Prozessen zum Herstellen von Diffusionsmedien muss dem Papierherstell- oder Mattenherstellprozess ein Imprägnierungsschritt folgen, bei dem ein Harz in organischem Lösemittel in die Kohlefasermatrix eingeführt wird. Die vorliegende Erfindung erfordert diesen Schritt nicht, da das Kohlefaserpapier oder die Kohlefasermatte mit dem bereits über dieses bzw. diese dispergierten Pulverharz ausgebildet wird. Dies vermeidet wesentlichen Zeitaufwand, wesentliche Kosten, Emissionen und Ausstattungen im Vergleich zu den herkömmlichen Prozessen.In conventional processes for making diffusion media, the paper making or mat making process must be followed by an impregnation step in which a resin in organic solvent is introduced into the carbon fiber matrix. The present invention does not require this step because the carbon fiber paper or the carbon fiber mat is formed with the powder resin already dispersed over it. This avoids significant time, costs, emissions and equipment compared to the conventional processes.
Das Kohlefaserpapier oder die Kohlefasermatte, die Pulverharz enthält, wird dann in einer Sauerstoffatmosphäre erhitzt, um das Harz zumindest teilweise zu härten (genannt B-Staging). Der Grad an Polymerisierung nach dem B-Staging ist ausreichend, so dass während eines Formschrittes, der folgt, sehr wenig Harzfluss vorhanden ist. Da die Dispersion das Pulverharz enthält, können der Trocknungsschritt und der B-Staging-Schritt in einen einzelnen Prozessschritt kombiniert werden. The carbon fiber paper or carbon fiber mat containing powder resin is then heated in an oxygen atmosphere to at least partially cure the resin (called B-staging). The degree of polymerization after B-staging is sufficient so that there is very little resin flow during a molding step that follows. Since the dispersion contains the powder resin, the drying step and the B-staging step can be combined in a single process step.
Nach dem B-Staging kann das partikelharzpräparierte Papier oder die partikelharzpräparierte Matte kontinuierlich geformt oder in diskrete Lagen bis zu etwa einem Quadratmeter für den folgenden Formungsschritt gestanzt werden. Das partikelharzpräparierte Papier oder die partikelharzpräparierte Matte wird bei Schritt
Der B-Staging-Schritt kann auch in den Formschritt integriert sein. Bei dieser Ausführungsform wird das Kohlefaserpapier oder die Kohlefasermatte, die Pulverharz enthält, mit einem gesteuerten rampenartigen Temperaturprofil geformt, um das Harz vollständig zu härten.The B-staging step can also be integrated in the molding step. In this embodiment, the carbon fiber paper or carbon fiber mat containing powder resin is molded with a controlled ramp-like temperature profile to fully cure the resin.
Bei Schritt
Weiter bei Schritt
Die Karbonisierung und Graphitisierung kann kontinuierlich oder durch Stapeln von Lagen in einem horizontalen oder vertikalen Kammer- bzw. Chargenofen ausgeführt werden. Die Stapel werden in einer inerten Atmosphäre (beispielsweise Stickstoff oder Argon) erhitzt. Es ist bevorzugt, den Komposit in demselben Ofen in einem kontinuierlichen Zyklus zu karbonisieren (Temperatur 1200-2000°C) und dann zu graphitisieren (Temperatur >2000°C).Carbonization and graphitization can be carried out continuously or by stacking layers in a horizontal or vertical chamber or batch furnace. The stacks are heated in an inert atmosphere (e.g. nitrogen or argon). It is preferred to carbonize the composite in the same furnace in a continuous cycle (temperature 1200-2000 ° C) and then graphitize (temperature> 2000 ° C).
Die
Bei verschiedenen Ausführungsformen werden die Diffusionsmedien der Erfindung mit einer Oberflächenbeschichtung versehen, um einen Wassertransport durch das Diffusionsmedium zu steigern. Nicht beschränkende Beispiele von Diffusionsmediumbehandlungen umfassen eine Polytetrafluorethylen-(PTFE)-Behandlung und eine Beschichtung mit einer mikroporösen Schicht (MPL), die eine Mischung aus Kohlenstoffpulvern und Fluorpolymeren enthält. Bei einer Ausführungsform wird eine mikroporöse Schicht durch Beschichtung des Diffusionsmediums mit einer Paste, die Ruß (beispielsweise Acetylenruß) und PTFE-Dispersion enthält, geformt und das Diffusionsmedium mit der Paste gesintert.In various embodiments, the diffusion media of the invention are surface coated to increase water transport through the diffusion media. Non-limiting examples of diffusion media treatments include polytetrafluoroethylene (PTFE) treatment and a coating with a microporous layer (MPL) that contains a blend of carbon powders and fluoropolymers. In one embodiment, a microporous layer is formed by coating the diffusion medium with a paste which contains carbon black (for example acetylene black) and PTFE dispersion, and the diffusion medium is sintered with the paste.
Das Diffusionsmedium wird dazu verwendet, eine Brennstoffzelle herzustellen. Brennstoffzellenstapel enthalten eine Vielzahl von Brennstoffzellen, wobei die Anzahl einzelner Zellen von den Leistungs- und Spannungsanforderungen der Anwendung abhängt. Bei der Kraftfahrzeuganwendung enthalten typische Brennstoffzellenstapel
Einzelne Brennstoffzellen enthalten eine Protonenaustauschmembran, die zwischen Elektroden angeordnet ist. Die Elektroden sind eine Anode und eine Kathode zur Verwendung bei der Ausführung der Gesamtproduktion von Wasser aus Brennstoff, der Wasserstoff enthält, und einem Oxidationsmittelgas, das Sauerstoff enthält. Bei verschiedenen Ausführungsformen enthalten die Elektroden Kohlenstoffstützpartikel, an denen kleinere Katalysatorpartikel (wie Platin) angeordnet sind, wie auch einen Polymerelektrolyt, der dazu dient, Protonen in den Elektrodenschichten zu binden und zu leiten. Geeignete Elektroden sind kommerziell erhältlich und die Kathode und die Anode können aus denselben Materialien hergestellt sein. Die Elektroden stehen mit einem porösen und elektrisch leitenden Material in Kontakt, wie Kohlenstoffgewebe oder Kohlepapier, das als das Diffusionsmedium dient.Individual fuel cells contain a proton exchange membrane, which is arranged between electrodes. The electrodes are an anode and a cathode for use in carrying out the entire production of water from fuel containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen. In various embodiments, the electrodes contain carbon support particles on which smaller catalyst particles (such as platinum) are arranged, as well as a polymer electrolyte that serves to bind and conduct protons in the electrode layers. Suitable electrodes are commercially available and the cathode and anode can be made from the same materials. The electrodes are in contact with a porous and electrically conductive material, such as carbon cloth or carbon paper, which serves as the diffusion medium.
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